2.6 多材料拓扑优化
在之前的所有拓扑优化的例子中，同一个设计变量的材料都是相同的。实际中在一个结构上同时使用多种材料是普遍现象，如图2-93所示，白车身大部分是普通钢，但是会在关键位置使用高强钢，或者部分用钢、部分用铝合金或工程塑料或复合材料。不同材料的混合使用可以各取所长，在刚度、吸能、成本各方面达到一个平衡。
图2-93 使用多种材料的白车身模型
目前OptiStruct的多材料优化支持体单元和壳单元，只支持各向同性材料。除了原始材料外每个变量最多可以有9个备选材料，优化结果可以看到不同部位使用不同材料，通过运行优化生成的.tcl脚本可以在HyperMesh中将不同材料的单元进行分组。
下面简要介绍一个实例：两种材料的使用方案优化。模型如图2-94所示，优化区域可以从两种材料中选择一种合适的材料，最终结果是材料的有无以及材料类型的分布。
优化三要素如下。
优化目标：最小化质量。
设计约束：前5阶频率小于15Hz。
设计变量：所有单元。
操作视频
一般拓扑优化的设置已经在.fem文件中设置完毕，接下来只演示和多材料拓扑优化相关的步骤。
1）导入CarBody＿MultiMatOpt＿5modes.fem，模型如图2-94所示。
2）选中设计变量后设置Multiple Mats项中备选的两种材料，如图2-95所示。
图2-94 模型
图2-95 多材料设置
3）运行OptiStruct进行多材料拓扑优化。
4）在HyperMesh的File>Run>Tcl/Tk Script运行CarBody＿MultiMatOpt＿5modes.HM.comp.tcl脚本。
5）在HyperMesh可以看到优化结果如图2-96所示。
图2-96 多材料拓扑优化的优化结果
这个例子应用的两种材料具有不同弹性模量和密度，如果都是钢材，那么弹性模量和密度应该都是一致的，主要是强度指标不一致，针对刚度的拓扑优化无法体现出材料的不同力学性能。多材料技术的应用目前还处于初级应用阶段，很多技术还不太成熟。